基于Z I G B E E技術的無線車輪傳感器的探討

北京康拓紅外技術股份有限公司 李柳竺 曲 歌

基于Z I G B E E技術的無線車輪傳感器的探討

北京康拓紅外技術股份有限公司 李柳竺 曲 歌

針對目前有線列車車輪傳感器安裝距離遠、施工困難、不易組網等問題，結合zigbee網絡技術設計了一套新型的無線車輪傳感器。本文通過對Zigbee網絡技術的分析，利用車輪傳感器、信號轉換模塊和CC2630無線收發模塊共同組成了無線車輪傳感器傳輸網絡平臺，并進行了測試。測試結果表明，該無線車輪傳感器系統安裝和施工簡便，傳輸性能良好，有較好的應用前景。

車輪；車輪傳感器；ZIGBEE；無線傳輸

1.引言

隨著鐵路的不斷提速，鐵路線路的安全生產成為了鐵路部門重點管理的一項工作，鐵路沿線的施工和設備安裝都必須要在規定的天窗時間內完成。列車車輪傳感器是安裝在鐵軌上的一種探測車輪的傳感器，具有開機、計軸、測速等功能，是鐵路5T監控系統必不可少的組成部件。目前，車輪傳感器的傳輸采用電纜傳輸的方式。當用于設備開機的觸發器時，需要挖一條近100米長的電纜溝，施工比較困難。為了提高施工和設備安裝的效率，減少施工工作量，本文提供和討論了一種基于Zigbee的無線列車車輪傳感器。

此無線車輪傳感器系統主要是采用無源車輪傳感器、信號轉換部分和Zigbee模塊組成。由于Zigbee協議的開源性和免費性，不需要再增加其他的部件。相比于傳統無線技術和有纜車輪傳感器，基于Zigbee的無線車輪傳感器有如下的優點：

1）低功耗。由于鐵路探測站經常位于野外，需要具備無人值守的條件，低功耗對于使用的壽命來說尤其重要。Zigbee模塊的功耗僅為1mW左右，一般情況下，能工作1年半左右，滿足鐵路對維護時間間隔的要求。

2）成本低。基于Zigbee的無線車輪傳感器的整體造價比有纜車輪傳感器低近30%。

3）時延低。相比于普通的無線技術，Zigbee模塊的時延非常短，適合應用于5T系統。

4）傳輸安全性和可靠性高。相比于普通的無線技術，Zigbee模塊采用AES加密，破解困難，傳輸質量高，可以通過重復發送直到確認傳輸完成和增加傳輸節點的方式來保證傳輸質量。

5）組網便捷。Zigbee模塊的信號傳輸距離一般為70米左右，如果加上用于中繼的Zigbee模塊，理論上可以無限遠。在組網的時候，Zigbee模塊安裝方便快捷，能迅速連入實現組網，滿足鐵路施工的要求。

2.系統總體結構

該系統主要包括三部分：傳感器部分、信號轉換部分和數據傳輸部分。傳感器部分采用磁感應線圈作為信號采集硬件，并對信號進行處理后得到車輪信號。信號轉換部分具有傳感器信號處理、信號轉換等功能。數據傳輸部分由Zigbee模塊組成，將傳感器的信號進行傳輸并發送給上位機。

如圖1所示為系統的結構圖。

圖1 系統結構圖

3.系統設計

根據系統的要求，信號流程如下：當列車的車輪軋過車輪傳感器時，由于車輪切割傳感器的磁場產生電流，生成了一個正弦波信號。該信號經過信號轉換部分，將信號進行濾波和正弦波轉換，得到滿足采集要求的車輪信號。車輪信號經過軟件的處理和轉換后，直接通過Zigbee模塊發送，經過組網傳輸之后，室內的模塊收到了該車輪信號的數據，上傳給控制主機，進行進一步的處理。

3.1 硬件設計

系統采用TI公司的模塊CC2630作為無線傳輸解決方案，并配合車輪傳感器、信號轉換模塊和外圍電路，形成用于鐵軌邊的一套無線車輪傳感器系統。CC2630由Zigbee收發模塊、128k的f l ash、8k的SRAM、AD采集模塊等組成，功能強大且功耗極低，適應工作溫度為-40℃至85℃，能滿足野外長時間工作的需求。另外，CC2630還有多個I/O控制、AES加密解密內核、多個定時器等附屬模塊，且具有多種工作模式，能夠實現超低功耗運行，可以滿足不同條件下的控制和應用需求。24MHz晶振用于給處理器提供時鐘，達到48MHz的時鐘速度。32.768KHz晶振用于睡眠模式時為系統和看門狗提供睡眠時鐘，以降低功耗。

CC2630的AD模塊達到 12位精度，速率為200MSPS，可以用于直接采集傳感器的模擬信號。

室外通信節點的硬件設計由外圍電路、CC2630模塊和接口外殼組成，針對Zigbee的工作要求，設計了電源處理電路、高溫報警電路和過流保護電路等，以滿足長時間運行的需要。

機房內協調節點主要起著接收各傳感器節點信號，轉發給控制主機的作用。協調節點直接由主機進行供電，當各傳感器節點數據接收到之后，進行簡單的處理和確認，然后上傳給控制主機。

信號轉換模塊主要由濾波模塊、電源模塊和限幅模塊組成，起到對傳感器信號濾波、降幅和限幅的作用，保證輸入Zigbee信號的完好和易于采集，實現阻抗的匹配。放大芯片選用了TI的TLV8812芯片，該芯片屬于超低功耗和低工作電壓的芯片，最大工作電流為850nA。整體的工作電流為0.02mA，使用兩節5號電池供電能用5年，滿足系統功耗的要求。

3.2 可靠性設計

由于1號車輪傳感器的信號關系到系統的開機探測，可靠性非常重要，在系統中我們采取了一些設計，保證車輪傳感器的信號迅速、準確、有效的傳遞給控制主機。

1）冗余設計。通過增加Zigbee模塊在1號車輪傳感器的數量，保證能同時有兩個以上的模塊同時給主機發送車輪傳感器的信號信息。另外，把這兩個模塊同時接入Zigbee網絡內，增加系統的傳輸可靠性。

2）中繼模塊設計。在1號車輪傳感器與2、3號之間，或者1號與機房之間，適當的增加Zigbee模塊，保證信號傳輸的連續性，保證傳輸質量和效率。

3）保護盒設計。設計了Zigbee模塊專用的防水保護盒，防水等級達到IP67，可以卡在鋼軌下方，同時天線通過塑封方式外露，延伸到鐵軌側面，保證RF信號不會受到遮擋。

4.測試情況

本系統在實際測試過程中，組成了5個室外節點和1個室內節點的星型網絡拓撲結構。測試結果如下：

傳輸延遲為60ms，傳輸100%成功（雖有一次1號傳感器信號延遲增大到0.1s的情況但仍符合系統要求），經過7天的高低溫試驗，系統運行正常。工作狀態下的功耗為1.2mW，預計兩節5號電池能至少工作半年。

5.結束語

本文通過對基于Zigbee的無線車輪傳感器系統的設計和測試，實現了列車車輪傳感器的無線傳輸。通過布置多個傳感器節點和Zigbee傳輸節點，能實現對列車車輪探測的可靠性、準確性和實時性。經過驗證，該系統具有成本低、安裝便捷、運行安全可靠、無人值守等特點，具有較高的應用價值。